详解如何设计汽车助力转向系统电控单元

转向系统是汽车的重要组成部分，其性能直接影响着汽车行驶的稳定性和安全性。早期的汽车转向系统为纯机械转向系统，没有助力，转向动力完全由驾驶员提供，驾驶体验差。从上世纪30年代以后，逐渐出现了助力转向系统。目前，汽车助力转向主要有3种形式：液压助力转向系统(Hydraulic PowerSteering，HPS)，电控式液压助力转向系统(Electric Hydraulic Power Steeing，EHPS)以及电动助力转向系统(Electric Power SteeringSystem，EPS)。相比前两种，EPS由电机提供辅助力矩，没有油系统，很大程度降低了汽车转向系统的复杂度，且在燃油效率、模块化、助力效果和环境友好性等各方面具有明显的优势。根据EPS助力电机在齿轮和转向柱总成上位置的不同，EPS系统分为转向柱助力式、齿条助力式、小齿轮助力式和双小齿轮助力式4种类型。小齿轮和转向柱助力式应用于轻型车辆，双小齿轮助力式应用于重型车辆。它们在构成上都具有3个基本部件：电控单元(Electrie Control Unit，ECU)、助力电机和安装在转向柱上的扭矩传感器。文中针对小型轿车，以美国Freescale公司的16位单片机MC9S12DP256为核心进行了EPS控制器的设计。

1 电动助力转向系统结构和工作原理

电动助力转向系统结构如图1所示，主要由方向盘、扭矩传感器、电子控制单元(ECU)、电机、电磁离合器、减速机构、齿轮齿条转向器组成。在汽车发动机点火后，转动方向盘时，由安装在转向轴上的扭矩传感器测得转向力矩，并送给ECU，ECU根据转矩和车速，通过预先设置好的助力特性曲线和控制策略计算出一个电机所需的最佳电流，从而控制电机输出力矩和转动方向，然后经过减速机构施加到转向机构，最终得到一个与行驶工况相适应的转向作用力，辅助驾驶员转向。

2 控制策略

2.1 EPS模型建立

根据牛顿定律，可建立转向系统数学模型。

其中：Th为方向盘输入转矩，Js为转向柱、盘总成转动惯量，Bs为输入轴阻尼系数，Ks为力矩传感器刚度系数，Tm电机输出力矩，Km为助力电机和减速机构的刚度系数，Jm为助力电机转动惯量，Bm为助力电机阻尼系数，M为齿条质量，Br为齿条和转向轮粘性阻尼系数，Kr为齿条当量刚度，G为助力机构传动比，rp为小齿轮半径，θs为方向盘转角，θm为电机转角，xr为齿条位移，Fr为转向阻力。

2.2 助力特性曲线设计

EPS助力特性是驾驶员输入转矩和电机助力力矩(助力电流)之间的关系。汽车在行驶过程中，转向阻力随着车速的增加而降低。为了获得汽车低速行驶时转向的轻便性和高速行驶时的稳定性，在同种行驶状况下，电机助力力矩随着车速的升高而减小，并在车速超出一定范围时，电机不进行助力。常见的助力特性曲线有3 种：直线型、折线型和曲线型。直线型助力特性曲线形式简单，实际中容易调节和实现。因此，文中采用直线型助力特性进行控制器设计。直线型助力特性可表示为如下函数关系：

其中：Th为电机目标力矩，f(v)为车速感应系数，Tmax为电机最大助力力矩，Td0为开始助力时驾驶员输入最小力矩，Tdmax为电机提供最大助力时驾驶员输入力矩。

助力特性参数确定：Td0=1 Nm，Tdmax=7.6Nm，Thmax=21Nm。车速感应系数按照表1所示规则确定(最终需要实车测试后进行修正)，车速超过80 km/h时，电机不进行助力。

根据上述参数，助力特性曲线设计如图2所示。

电机目标电流可以由式(8)获得：

式中，ki为电机转矩系数，G为电机减速机构传动比。

2.3 控制算法

EPS系统控制是对电机电流大小和方向的控制。其控制算法的好坏直接影响着转向系统的性能。本文采用目前广泛应用于工业控制领域的PID控制算法。PID控制稳定性和可靠性高、实时性强、且控制与调试方法简单，易于实现，适合用于汽车电动助力转向系统的控制。因此，PID控制是现阶段EPS控制系统主要的控制策略。

PID控制的表达式可表示为：

其中：r(t)为助力电机电流目标值，y(t)是控制系统实际输出值，u(t)为PID控制器的输出信号，TI为积分时间常数，Td为微分时间常数。EPS控制系统的核心是采用数字信号的单片机。因此，需要对式(10)进行如下处理：

为了减小计算量，提高转向系统的实时性，本设计采用增量式PID控制，用控制量的增量△u作为作为控制器的输出。其实现方法如下：

设助力电机目标电流为i，实际当前助力电流为io，则控制偏差为：

ek=i-io (12)

△u=u(k)-u(k-1) (13)

助力电机目标电流可以由单片机根据当前车速、输入转矩、助力特性曲线计算得到。然后由式(11)、(12)、(13)可获得对应的PWM增量△u。